第六章蒸馏

x1 x2 xF x3 y1 y2 y3 t t1 t2 p=定值 1 2 3
x(y)
塔顶产品
继续冷凝可得组成为y3的气相和组 成为x3的液相
冷凝器 y3 y2
3 x3
2
y3＞y2＞y1
气相混合物经多次冷凝后，在气 相中可获得高纯度的易挥发组分
y1 原料
x2 1 x1 2'
若将组成为x1的气相混合物进行部 分汽化，则可得到组成为x'2的液相 和组成为y'2的气相
1.0 0.8 y1 D
y 0.6
0.4 0.2 x1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
x 苯—甲苯混合液的x-y图
2、气液平衡关系式 （1）拉乌尔定律 当理想溶液的气液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压 与溶液中该组分的摩尔分率成正比。
pA p xA
0 A
易挥发组分的摩尔分数 易挥发组分的饱和蒸气压
V'，IVW L'，ILM W，xW，ILW QB
例 每小时将15000kg含苯40%（质量分数）和甲苯60%的溶液， 在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶 馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及 组成，以摩尔流量和摩尔分数表示。 解：苯的摩尔质量为78，甲苯的摩尔质量为92。 进料组成 釜残液组成
由道尔顿分压定律，有
py / x y x A A A B pyB / xB yB x A
yA xA yB xB
或
yA xA 1 yA 1 xA
略去下标
相对挥发度表示的气液平衡方程
x y 1 ( 1) x
讨论： 蒸馏操作＞1，值愈大，分离愈容易
若=1，不能用普通蒸馏方法分离，需要采用特殊蒸馏 或其它分离方法。
x'3＜x'2＜x1 将液体混合物进行多次部分汽化，在 液相中可获得高纯度的难挥发组分
加热器
3'
4'
塔底产品
2、精馏塔的操作
下降液流与上升蒸气流
xn-1 yn
板式塔（塔板）、填料塔（填料） n+1层板上升的蒸汽通过板上小孔上升 n-1层板上液体通过溢流管下降到 第n层板上 进入第n层板的气相组成和温度分 别为yn+1和tn+1，液相为xn-1和tn-1 tn+1 ＞tn-1 yn+1 xn-1
40 / 78 xF 0.44 40 / 78 60 / 92
2 / 78 xW 0.0235 2 / 78 98 / 92
原料液的平均摩尔质量 原料液流量
M F 0.44 78 0.56 92 85.8
F 15000 / 85.8 175 .0 kmol/h
2、操作线方程 （1）精馏段操作线方程 总物料
V，y1
V LD
1 2 n n+1 F， x F L x1 x2 xn y2 yn yn+1
L，xD
D，xD
易挥发组分
Vy n1 Lxn DxD
y n 1 L D xn xD LD LD
回流比
L R D
y n 1
R 1 xn xD R 1 R 1
回流液
观察罩
精馏塔
馏出液 进料
贮槽
加热蒸汽
再沸器
釜液
冷凝水
6.4 两组分连续精馏的计算
有设计型和操作型计算两类 已知条件： 原料液流量、组成和分离程度 需要计算或确定的项目： 确定产品的流量或组成 选择或确定适宜的操作条件，如操作压强、回流比和进 料热状况 确定精馏塔的类型，选择板式塔或填料塔，根据塔型 计算理论板数和填料层高度 确定塔高和塔径的其他尺寸，并进行流体力学验算
苯和甲苯 加热
苯（沸点低） 易挥发组分 冷凝 甲苯 难挥发组分
苯组成较高的产品
蒸馏在化工中的应用
原油蒸馏： 汽油、煤油、柴油及重油 混合芳烃蒸馏： 苯、甲苯及二甲苯
液态空气蒸馏： 液氧、液氮
2、特点
可直接得到所需产品 吸收、萃取等需外加其他组分
适用范围广，可分离液态、气态或固态混合物 蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离 操作耗能较大
xN W，xW
L W ym 1 xm xW L W L W
L'除与L有关外，还与进料量及进料热状况有关
蒸汽
三、进料热状况的影响 1、精馏塔的进料热状况 （1）冷液进料 提馏段内回流液流量L'包括三部分： ①精馏段的回流液流量L ②原料液流量F ③为将原料液加热到板上温度，有一 部分自提馏段上升的蒸气被冷凝下来， 冷凝液量也成为L'的一部分
苯的回收率为97.1%
DxD / FxF 0.971
所以
DxD 0.971 175 0.44
D W F 175
全塔物料衡算
DxD WxW FxF
或
DxD 0.0235 W 175 0.44
D 80 .0 kmol/h
W 95.0 kmol/h
xD 0.935
精馏段操作线方程式
（2）提馏段操作线方程
在提馏段中，任意塔板（m板） 下降的液相组成与由其下一 层塔板（m+1）上升的蒸汽组 成之间的关系 总物料
F，xF
m m+1
L' x'm
V'
y'm+1
L V W
y'N N x'N
易挥发组分
V ym 1 WxW Lxm
提馏段操作线方程式
pA yA p
0 p pB xA 0 0 p A pB
0 pA yA xA p k A 相平衡常数
yA k A xA
0 0 pA p pA yA 0 0 p pA pB
相平衡常数表示 的气液平衡关系
露点方程
（Baidu Nhomakorabea）以相对挥发度表示的气液平衡方程
挥发度
pA vA xA pB vB xB
恒摩尔液流 精馏操作时，在塔的精馏段内，每层板下 降的液体摩尔流量都是相等的 精馏段 提馏段
L1 L2 Ln L
L2 Lm L L1
恒摩尔流的假定成立的条件： 各组分的摩尔汽化热相等 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略
塔设备保温良好，热损失可忽略
F D W
FxF Dy Wx
F F y (1 ) x xF D D
设 q W / F 称为原料液的液化率 则 1 q D / F 称为原料液的气化率
xF q x 平衡蒸馏中气液相组成的关系 y q 1 q 1
（2）热量衡算
对加热器作热量衡算，忽略热损失 Q Fcp (T t F ) 对减压阀和分离器作热量衡算，忽略热损失
0 0 pB pB xB pB (1 x A )
溶液沸腾时，溶液上方的总压p等于各组分的分压之和
p p A pB
泡点方程
0 0 p pA xA pB (1 xA )
0 p pB xA 0 0 p A pB
（2）以相平衡常数表示的气液平衡方程 当外压不太高时，平衡的气相遵循道尔顿分压定律
对于理想溶液，符合拉乌尔定律有
0 vA pA
0 vB pB
相对挥发度 易挥发组分的挥发度与难挥发组分的之比
vA pA / xA vB p B / xB
对于理想物系，有
0 pA 0 pB

以相对挥发度表示的气液平衡方程
vA pA / xA vB p B / xB
yA pA p
Fcp (T te ) (1 q)rF
原料液离开加热器的温度 （3）气液平衡关系
te—分离器中的平衡温度
r T t e (1 q) cp
气液两相处于平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡 x y t e f ( x) 1 ( 1) x
二、简单蒸馏 1、简单蒸馏装置与流程 又称微分蒸馏，是一种 间歇、单级蒸馏操作 在一批操作中，馏出液 可分段收集，以得到不 同组成的馏出液 2、特点与应用
蒸馏釜
原料液
蒸汽
冷凝器
冷凝水
接受器
特点： 间歇操作过程；单级过程，无塔段；非稳态过程 应用：用于液体混合物的初步分离；用于测油品的沸程— —恩氏蒸馏
6.3 精馏原理和流程
一、精馏过程原理 1、多次部分汽化和多次部分冷凝 对原料液进行多次部分汽化和多次部分冷 精馏过程原理：凝，使混合液得到几乎完全的分离。 将组成为xF混合液从某温度加 热到泡点以上 得到气相组成为y1，液相组成为x1 y1＞xF＞x1 对组成为y1的气相混合物进行部分 冷凝，则可得到y2的气相和x2的液相
n层板
xn yn+1
xn 1 ＞ xn 1
与yn+1成平衡的液相组成
气相部分冷凝 难挥发组分转入液相中 yn＞yn+1
液相部分汽化 易挥发组分转入气相中 xn＜xn-1
蒸汽
全凝器
二、精馏操作流程
贮槽 精馏塔
冷却水 塔顶产品
1、连续精馏操作流程
塔底产品称为釜残液 塔顶产品称为馏出液 原料液加入的塔板称 为进料板 在进料板以上的塔段称 为精馏段 进料塔板以下的塔段 （包括进料板）称为 提馏段
6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏
一、平衡蒸馏 1、平衡蒸馏装置与流程 D y
加热器
又称闪急蒸馏，简称闪蒸
连续、稳态的单级蒸馏操作 F xF
分离器
将混合液在压力p1下加热， 然后通过减压阀使压力降 低至后进入分离器
减压阀
Q
平衡的气液两相分别从分离器的顶 部、底部引出
W x
2、平衡蒸馏过程计算 （1）物料衡算 总物料衡算 易挥发组分物料衡算
冷却器
回流液泵
进料板 蒸汽
再沸器
水蒸气
液体
冷凝水
进料
原料液预热器
塔底产品
全凝器
2、间歇精馏操作流程 与连续不同之处是： 原料液一次加入精馏釜 中，因而间歇精馏塔只 有精馏段而无提馏段。 精馏釜的釜液组成不断变 化，在塔底上升蒸汽量和 塔顶回流液量恒定的条件 下，馏出液的组成也逐渐 降低。当釜液达到规定组 成后，精馏操作即被停止。
露点温度 露点线
苯—甲苯混合液的t-x-y图
气—液相组成（x-y）图 右图为101.33kPa下苯—甲 苯的x-y图 表示液相组成和与之平衡 的气相组成的关系 D点表示组成为x1的液相与 组成为y1的气相互成平衡 对于大多数溶液，两相平衡 时，y总是大于x，即平衡线位 于对角线上方，偏离对角线越 远，愈易分离。
在精馏计算中，先求得理论板数，然后利用塔板效率 予以修正，即求得实际板数。
2、恒摩尔流假定 恒摩尔气流
yn+1与xn的关系，操作关系
在精馏塔的精馏段内，每层板的上升蒸气 摩尔流量都是相等的
精馏段 提馏段
V1 V2 Vn V
V V1 V2 Vm
计算再沸器和冷凝器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸
一、理论板的概念及恒摩尔流假定
1、理论板概念
yn
xn 1 ( 1) xn
在其上气、液两相都充分混合，且传热及传质过程阻力 均为零的理想化塔板。 由于板上气、液两相相接触面积和接触时间是有限的， 因此在任何形式的塔板上，气、液两相难以达到平衡状 态，即理论板是不存在的。
二、物料衡算和操作线方程
1、全塔物料衡算
总物料
V，IVD L，xD，ILD
QC
F D W
D，xD，ILD
易挥发组分
FxF DxD WxW
塔顶易挥发组分回收率
F，xF，IF
DxD D 100% FxF
塔底难挥发组分的回收率
W (1 xW ) W 100% F (1 xF )
第6章
蒸馏
6.1 蒸馏过程概述与气液平衡关系 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 6.3 精馏原理和流程 6.4 两组分连续精馏的计算
6.1 蒸馏过程概述与气液平衡关系
一、蒸馏过程概述
1、蒸馏过程及其在化工中的应用 蒸馏原理 非均相物系 沉降、过滤
质点与流体的相对运动实现分离 蒸馏、吸收、 萃取、干燥
均相物系 必须造成两相物系，利用 物性差异，使组分分离
二、两组分理想物系的气液平衡
1、气液平衡相图 温度—组成（t-x-y)图 饱和蒸气线t-y 饱和液体线t-x 液相区、过热蒸气区、气 液共存区 泡点温度 泡点线
120 110 t4 t3 B H
温 度 100 t/℃
90 80 70 0
t2
t1 J
A
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
x1(y1) x (y)
3、分类
萃取精馏
恒沸精馏
按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏 各组分的挥发度差别很大，且分离要求又不高时 按操作流程分： 间歇蒸馏和连续蒸馏 大规模生产中以连续蒸馏为主 按组分数目分：两组分和多组分精馏 按操作压力分：常压、加压和减压精馏 沸点在室温至 150℃的混合液 常压下为气态混合物 热敏性物质